物聯(lián)網(wǎng)在智能電網(wǎng)中的應(yīng)用與實(shí)踐

鄧立　姜志航　李莉

摘? 要：智能電網(wǎng)是在傳統(tǒng)電網(wǎng)基礎(chǔ)上，通過信息技術(shù)手段實(shí)現(xiàn)電力的進(jìn)一步智能化調(diào)控。該文在總結(jié)智能電網(wǎng)的國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀，詳細(xì)總結(jié)了該體系結(jié)構(gòu)涉及到的各方面技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，同時(shí)指出了未來可能帶來突破的研究方向。以智能電網(wǎng)通信技術(shù)的特點(diǎn)為基礎(chǔ)展開了面向智能電網(wǎng)的物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)的應(yīng)用研究，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是整個(gè)智能電網(wǎng)的基礎(chǔ)，闡述以傳感器為基礎(chǔ)對(duì)整個(gè)面向智能電網(wǎng)的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)應(yīng)用與實(shí)踐。

關(guān)鍵詞：智能電網(wǎng)? 物聯(lián)網(wǎng)? 無線傳感器

中圖分類號(hào)：TM76 ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2019）12（a）-0040-03

Abstract： The smart grid is based on the traditional power grid， through the information technology means to achieve further intelligent regulation of power. This paper summarizes the development status of smart grid at home and abroad， summarizes the development status of various technologies involved in the architecture， and points out the research direction that may bring breakthroughs in the future. Based on the characteristics of smart grid communication technology， the application research of the IoT architecture for smart grid is carried out. The wireless sensor network is the foundation of the whole smart grid. The application and practice of the whole IOT system for smart grid based on sensors is expounded.

Key Words： Smart Grid; Internet of Things; Wireless Sensor

當(dāng)前我們國(guó)家正在大力發(fā)展物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)并提倡將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)廣泛應(yīng)用于我國(guó)的各個(gè)領(lǐng)域，所以如何將智能電網(wǎng)的概念和物聯(lián)網(wǎng)結(jié)合起來并進(jìn)行相應(yīng)的綜合設(shè)計(jì)是目前所面臨的一個(gè)非常重要的問題。在國(guó)家電網(wǎng)，2018年信通公司提出來要做SG-eIoT（electric Internet of Things），就是把電力的輸電、變電、配電、用電、經(jīng)營(yíng)五大業(yè)務(wù)結(jié)合在電力互聯(lián)網(wǎng)，把終端、網(wǎng)絡(luò)、平臺(tái)、運(yùn)維、安全五大體系融合進(jìn)去。

1? 面向智能電網(wǎng)的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用方案

1.1 物聯(lián)網(wǎng)傳感器解決方案

為了實(shí)時(shí)感知電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)，需要在各種電力設(shè)備上部署大量傳感器，進(jìn)行相關(guān)的信息和數(shù)據(jù)采集并上報(bào)給控制中心。智能電網(wǎng)傳感器節(jié)點(diǎn)收集的數(shù)據(jù)包括多種類別，涵蓋電流、電壓、溫度、壓力、濕度等各類數(shù)據(jù)。主要包括如下幾個(gè)方面?zhèn)鞲衅鳌?/p>

（1）激光測(cè)距傳感器用于測(cè)量輸配電線路周邊樹木等危險(xiǎn)物是否處于輸配電線路的安全距離范圍內(nèi)，同時(shí)也可用于線路弧垂等輔助測(cè)量。

（2）導(dǎo)線溫度傳感器是用于輸電線路導(dǎo)線在線測(cè)溫的裝置。

（3）測(cè)溫終端采用微功耗技術(shù)，使用8AH/3.6V的自消耗低、壽命長(zhǎng)、耐高溫的鋰亞電池供電方式，能夠使溫度采集終端單元工作在5年以上。鋰亞電池與微功耗技術(shù)相結(jié)合，很好地解決了測(cè)溫終端單元取電的問題。

（4）智能防盜螺栓是一款基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的多功能設(shè)備防盜傳感模塊，可以代替普通機(jī)械螺栓，用于配電設(shè)備的防盜預(yù)警。

（5）電壓變化測(cè)量傳感器用于測(cè)量低壓配電線路的電能質(zhì)量信號(hào)，也可用于低壓電力設(shè)備的防盜預(yù)警輔助設(shè)備，整機(jī)對(duì)接入的配網(wǎng)電信號(hào)進(jìn)行電能質(zhì)量檢測(cè)，同時(shí)該信號(hào)也作為外部電源，實(shí)現(xiàn)對(duì)整機(jī)的供電。

1.2 物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)解決方案

電力傳感器網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景復(fù)雜，涉及通信技術(shù)種類多、協(xié)議復(fù)雜，給數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)共享與協(xié)同帶來較大難度。為在電力環(huán)境下滿足如上電網(wǎng)感知的需求，電力傳感器網(wǎng)絡(luò)所服務(wù)的對(duì)象及數(shù)據(jù)傳輸具有以下3個(gè)獨(dú)特的需求。

（1）傳輸數(shù)據(jù)量大。傳感器節(jié)點(diǎn)需周期性發(fā)送設(shè)備的用電或其他狀態(tài)信息。由于傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)量多，網(wǎng)絡(luò)內(nèi)所需傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量很大。

（2）實(shí)時(shí)性要求高。對(duì)于電網(wǎng)運(yùn)行與控制信息，需要實(shí)時(shí)傳輸至電力控制中心，對(duì)電網(wǎng)運(yùn)行態(tài)勢(shì)進(jìn)行分析，以便迅速對(duì)存在故障的線路采取實(shí)時(shí)調(diào)控措施。

傳感器節(jié)點(diǎn)由傳感器模塊、處理器模塊、無線通信模塊和能量管理模塊組成。傳感器模塊負(fù)責(zé)監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)信息的采集和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，處理器模塊負(fù)責(zé)控制整個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)的操作，存儲(chǔ)和處理本身采集的數(shù)據(jù)以及其他節(jié)點(diǎn)發(fā)來的數(shù)據(jù)，無線通信模塊負(fù)責(zé)與其他傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行無線通信，交換控制信息和收發(fā)采集數(shù)據(jù)，能量管理模塊對(duì)傳感器節(jié)點(diǎn)運(yùn)行所需的能量進(jìn)行管理。通過無線專網(wǎng)的建設(shè)，可以最大程度地提升通信實(shí)時(shí)性和安全性。電力無線專網(wǎng)具有接入便捷靈活，安全性高，自主可控的特點(diǎn)，是充分利用公司全面覆蓋的光纖通信網(wǎng)絡(luò)以及變電站等物業(yè)資源，自己建設(shè)無線通信基站，打造的一個(gè)以服務(wù)精準(zhǔn)負(fù)荷控制、配電自動(dòng)化等控制業(yè)務(wù)為核心的無線通信網(wǎng)絡(luò)。總體而言，電力無線專網(wǎng)可以分為業(yè)務(wù)承載網(wǎng)、核心網(wǎng)、回傳網(wǎng)、基站（鐵塔）及終端5個(gè)部分。電力無線專網(wǎng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)、語(yǔ)音、圖像、視頻等業(yè)務(wù)的泛在接入和可靠承載，滿足電力系統(tǒng)發(fā)輸配變用環(huán)節(jié)的業(yè)務(wù)通信需求。

業(yè)務(wù)承載網(wǎng)是電力各類業(yè)務(wù)系統(tǒng)與無線專網(wǎng)間的“橋梁”。核心網(wǎng)是電力無線專網(wǎng)的“大腦”，負(fù)責(zé)資源控制、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)、用戶管理等工作。回傳網(wǎng)是利用公司豐富光纖通信傳輸通道資源，建設(shè)的基站與大腦間的“信息回傳通道”。基站就是無線“信號(hào)塔”，覆蓋一定的地理空間，為終端提供無線接入通道。通信終端與業(yè)務(wù)終端互聯(lián)，是業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)進(jìn)入電力無線專網(wǎng)的“入口”，滿足各類電力業(yè)務(wù)的接入需求。

1.3 物聯(lián)網(wǎng)安全解決方案

電力物聯(lián)網(wǎng)在整體構(gòu)架上劃分架構(gòu)整體上可劃分為“云、管、邊、端”。“端”就是咱們說的感知層，由環(huán)境感知、電氣測(cè)量、用能采集這三大塊組成。“管”就是網(wǎng)絡(luò)層，本地通信網(wǎng)和遠(yuǎn)程通信網(wǎng)這兩大塊。“邊”介于網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層中間，主要是進(jìn)行邊緣計(jì)算，以容器方式提供邊緣智能服務(wù)（實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)、數(shù)據(jù)優(yōu)化等）。“云”指的是應(yīng)用層，laas、pass、sass結(jié)合運(yùn)維管理提供服務(wù)。黑客能夠涉及到的突破口就是“邊”“云”，也就是應(yīng)用層突破，入侵方向一定是通過應(yīng)用進(jìn)入IOT平臺(tái)，如果IOT平臺(tái)淪陷，會(huì)導(dǎo)致相關(guān)設(shè)備全部淪陷，這就意味著，在電力泛在物聯(lián)網(wǎng)的設(shè)計(jì)里面。現(xiàn)在IoT的協(xié)議非常多，主要涉及藍(lán)牙、Zigbee、Z-Wave、6LowPAN、線程、WiFi、GSM/3G/4G蜂窩、NFC、Sigfox、HTTP、MQTT、CoAP、DDS、AMQP、XMPP、JMS。我們通過協(xié)議，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)一個(gè)頭疼的問題，即我們現(xiàn)在涉及到的物聯(lián)網(wǎng)的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一，應(yīng)用范圍和使用場(chǎng)景限定了必須要使用多種感知手段繼續(xù)測(cè)試，而且基礎(chǔ)層的大量感知設(shè)備因?yàn)閮?nèi)存，計(jì)算能力有限，本身很難做到安全防御，根據(jù)這些內(nèi)容，我們把可能遭受的攻擊方式分為了以下3種。

（1）物理接觸：OBD、NFC、USB等方式。

（2）近場(chǎng)控制：藍(lán)牙、WiFi、射頻、信息模塊等方式。

（3）遠(yuǎn)程控制：云服務(wù)系統(tǒng)、運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)、3G/4G等方式。

我們?cè)诳紤]安全防御的時(shí)候，需要按照層級(jí)防護(hù)進(jìn)行聯(lián)防控制，先從物理層開始，物理接觸涉及到的最核心的問題兩個(gè)：第一，惡意攻擊者接觸到設(shè)備不能進(jìn)行認(rèn)證;第二，認(rèn)證之后沒有授權(quán)，無法進(jìn)行操作。

物理層次的一些建議，但是其實(shí)很多設(shè)備的物理接觸是不需要的，或者我們可以設(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)的插拔式接觸產(chǎn)品，綁定該產(chǎn)品的硬件編碼，做唯一認(rèn)證，其他人操作均需要廠家認(rèn)證，這種方式相對(duì)麻煩，但是安全和便捷總是互相沖突的。

（1）近場(chǎng)控制。近場(chǎng)指的是在指定范圍內(nèi)，可以通過某種手段去連接到與IoT設(shè)備同一網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，對(duì)IoT設(shè)備進(jìn)行攻擊，我們常見的WiFi、藍(lán)牙、射頻等，IoT設(shè)備與其他設(shè)備不同，現(xiàn)在市面上大量IoT設(shè)備都是只需要配置網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)，本身認(rèn)證方式采取硬編碼方式，一旦入侵，只要對(duì)內(nèi)網(wǎng)端口和地址進(jìn)行掃描，嗅探數(shù)據(jù)包，一打一個(gè)準(zhǔn)。有關(guān)近場(chǎng)安全，現(xiàn)階段安全的做法就是加密與隱藏信號(hào)。

（2）遠(yuǎn)程控制。遠(yuǎn)程控制就是那些我們大量直接裸漏的暴露在公網(wǎng)上的IoT設(shè)備，單單只靠IoT設(shè)備本身很難進(jìn)行防御。也就是其實(shí)我們?cè)谧龇烙臅r(shí)候，只需要把其當(dāng)成一個(gè)直接開放在公網(wǎng)上的脆弱的業(yè)務(wù)系統(tǒng)即可，也就是對(duì)身份認(rèn)證、會(huì)話管理、訪問授權(quán)、數(shù)據(jù)驗(yàn)證、配置管理、業(yè)務(wù)安全、漏洞安全7個(gè)方面進(jìn)行安全防御即可，就能避免其中大部分安全問題，這就回歸了常規(guī)的安全，這里就不多說。

2? 結(jié)語(yǔ)

該文中電力物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)核心技術(shù)的研究與示范系統(tǒng)建設(shè)將電力通信網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)不斷向電網(wǎng)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)及用戶延伸。一方面，泛在感知的電力物聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)了更多節(jié)點(diǎn)的覆蓋，能夠全面提升電網(wǎng)生產(chǎn)、電網(wǎng)服務(wù)、電網(wǎng)管理的全面感知、數(shù)據(jù)采集及服務(wù)互動(dòng)能力;另一方面，電力物聯(lián)網(wǎng)的建設(shè)及大量用于物聯(lián)網(wǎng)采集的傳感器、終端、系統(tǒng)的研制為數(shù)據(jù)采集提供了便捷的手段，極大地降低了電力物聯(lián)網(wǎng)感知各類數(shù)據(jù)的成本，為智能電網(wǎng)大數(shù)據(jù)采集與大數(shù)據(jù)規(guī)模開發(fā)和應(yīng)用奠定了技術(shù)、裝置和網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)。隨著電力物聯(lián)網(wǎng)規(guī)模的不斷發(fā)展和采集數(shù)據(jù)規(guī)模的累積和增加，后續(xù)工作將進(jìn)一步開發(fā)和研究基于電力物聯(lián)網(wǎng)采集數(shù)據(jù)的跨專業(yè)融合、深度共享與精準(zhǔn)用戶服務(wù)技術(shù)，能夠?yàn)殡娋W(wǎng)的生產(chǎn)、經(jīng)營(yíng)、管理提供更科學(xué)、高效、智能的輔助決策支撐。

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